Experimentální porovnání vhodnosti filtračních materiálů pro odstranění vybraných mikropolutantů přítomných v šedých vodách

Radim Hladký

Master's thesis

Experimental verification of the suitability of selected filter materials for the removal of micropollutants present in gray waters

Abstract:

Diplomová práce se zabývá experimentálním ověřením a vyhodnocením vhodnosti vybraných aditiv ve filtračním loži zasakovacího pásu při čištění šedé vody pro účely jejího opětovného využití. Byla zhotovena desítka fyzikálních modelů zasakovacích pásů (resp. filtrů) pro každé aditivum (biouhel, mykorhizu a antuku) a desítka filtrů bez aditiva (kontrolní, tzv. default). Polovina filtrů byla provozována s konstantní saturací 30 % a druhá polovina s proměnlivou saturací od 30 do 70 %, celkem tedy 8 skupin, jež byly testovány ve 4 etapách. Měřenými parametry kvality vody bylo pH, konduktivita, zákal, celkové nerozpuštěné látky (TSS), formy uhlíku (TOC, IC a TC), celkový dusík (TN), amoniakální dusík (NH4-N), základní anionty (F-, Cl-, NO2-, NO3-, Br-, PO43-, SO42-), aniontové tenzidy, koncentrace kovů (B, Cu, Ni a Zn) či koncentrace Flukonazolu a Ibuprofenu. Aditiva dokázala nepatrně zvýšit účinnost filtrů (tzn. filtry s obsahem aditiva vykazovaly vyšší účinnost o 5 % a více v porovnání s defaultem, avšak tento rozdíl nebyl vyhodnocen jako signifikantní, p > 0,05) při odstraňování následujících parametrů (účinnost uváděna postupně pro biouhel, mykorhizu a antuku): TOC (64 %; 54 %; 53 %), TN (80 %; 77 %; 76 %), TSS (31 %; 63 %; 13 %) a v závislosti na hydraulickém zatížení filtrů také chloridů (až 11 %; 11 %; 14 %), či bromidů (až 53 %; 52 %; 49 %). Při odstraňování dusitanů nepatrně zvýšil účinnost také biouhel či antuka (účinnost 88 %; respektive 91 %), nebo mykorhiza při odstraňování fosforečnanů (účinnost 44 %). Biouhel poté jako jediné aditivum dokázal zvýšit účinnost filtrů při odstraňování farmak, konkrétně při odstraňování Ibuprofenu nepatrně zvýšil účinnost na 85 % (o 18 % vyšší účinnost v porovnání s defaultem) a poté prokazatelně (tedy jeho přínos byl statisticky prokázán, p < 0,05) při odstraňování Flukonazolu, kde dosahoval účinnosti 89 % (o 58 % vyšší účinnost v porovnání s defaultem). Při odstraňování dusičnanů, chloridů či bromidů byl prokázán vliv hydraulického zatížení filtrů na jejich účinnost a při odstraňování zinku se projevilo stárnutí filtrů. V ostatních parametrech aditiva nevykazovala výrazné benefity, či dokonce vedla ke snížení účinnosti filtrů, přesto však aditiva dokázala přispět ke splnění některých přípustných limitů na recyklovanou šedou vodu stanovených českými technickými normami, případně ke splnění limitů doporučených Světovou zdravotnickou organizací. Při zhodnocení finančních nákladů na obohacení zasakovacího pásu vybraným aditivem a zvýšení účinnosti čištění šedých vod lze konstatovat, že zatímco biouhel a antuka jsou přijatelná řešení, tak přidání mykorhizy, vzhledem k její vysoké pořizovací ceně, nepřináší požadovaný efekt a nelze doporučit její široké využití.

Abstract:

The diploma thesis deals with the experimental verification and suitability evaluation of selected additives used in the infiltration trenches filter beds for the treatment of gray water and its reuse. Ten physical models of the infiltration trenches (respectively filters) were made for each additive (biochar, mycorrhiza and clay) and ten filters without additive (control, so-called default). Half of the filters were operated with a constant saturation of 30 % and the other half with a variable saturation of 30 % to 70 %, i.e. a total of 8 groups tested in 4 repetitions each. Measured water quality parameters were pH, conductivity, turbidity, total suspended solids (TSS), forms of carbon (TOC, IC and TC), nitrogen (TN), ammoniacal nitrogen (NH4-N), non-metals (F-, Cl-, NO2-, NO3-, Br-, PO43-, SO42-), anionic tensides, concentrations of metals (B, Cu, Ni and Zn), or concentrations of Fluconazole and Ibuprofen. Additives were able to slightly increase the efficiency of the filters (the filters with additive showed > 5 % efficiency compared to filters without additive, so called default, however, this difference was not evaluated as significant, p > 0.05) in removing the following parameters (removal efficiencies are presented in order biochar, mycorrhiza and clay): TOC (64 %; 54 %; 53 %), TN (80 %; 77 %; 76 %), TSS (31 %; 63 %; 13 %) and depending on the hydraulic load chlorides (up to 11 %; 11 %; 14 %) or bromides (up to 53 %; 52 %; 49 %). Biochar or clay slightly increased the efficiency in removing nitrites (efficiency 88 %; respectively 91 %), as well as mycorrhiza slightly increased removal of phosphates (efficiency 44 %). Biochar was the only additive able to increase the efficiency of the infiltration systems for the removal of pharmaceuticals. Specifically in the removal of Ibuprofen up to 85 % (18 % higher than default) and significantly higher efficiency (p < 0,05) in the removal of Fluconazole where it achieved 89 % (58 % higher than default). During the removal of nitrates, chlorides or bromides, the influence of the hydraulic load of the filters on their efficiency was demonstrated, and the aging of the filters was evident during the removal of zinc. In the other parameters, the additives did not show significant benefits, or even led to a reduction in the efficiency of the filters, however, the additives was able to contribute to meeting some permissible limits for recycled gray water set by czech technical standards, or recommended limits by the World Health Organization. When evaluating the financial costs of additives and evaluating their efficiency of gray water treatment, it can be stated biochar and clay are acceptable solutions, but the addition of mycorrhiza does not bring the desired effect due to its high purchase price, and its wide use cannot be ecommended.

Keywords

Úprava šedé vody, Filtrace, Biouhel, Mykorhiza, Antuka

Keywords

Grey water treatment, Filtration, Biochar, Mycorrhiza, Clay

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 15. 5. 2023
• Supervisor: prof. RNDr. Dana Komínková, Ph.D.
• Reader: Jana Nábělková, Ing., externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme:
Landscape and Land Management